CN103123924B

CN103123924B - 背照式cmos影像传感器的制造方法

Info

Publication number: CN103123924B
Application number: CN201310032806.4A
Authority: CN
Inventors: 费孝爱; 洪齐元
Original assignee: Omnivision Technologies Shanghai Co Ltd
Current assignee: Omnivision Technologies Shanghai Co Ltd
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2033-01-28
Also published as: CN103123924A

Abstract

本发明提供了一种背照式CMOS影像传感器的制造方法，通过所述电镀材料包括比例为4~6:3~9的加速剂及抑制剂，控制电镀层在沟槽各个位置的生长速度，防止沟槽过早封口；进一步的，通过电镀工艺分成三类执行，其中，第一类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的1%~10%；第二类电镀工艺所形成的电镀层厚度为50%~95%；第三类电镀工艺所形成的电镀层厚度为2%~45%，从而使得电镀层依据在所述沟槽中的深度不同，渐次形成，保证了所形成的电镀层的质量，防止了所形成的接触孔中具有空洞。

Description

背照式CMOS影像传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及影像传感器技术领域，特别涉及一种背照式CMOS影像传感器的制造方法。

背景技术

影像传感器是在光电技术基础上发展起来的，所谓影像传感器，就是能够感受光学图像信息并将其转换成可用输出信号的传感器。影像传感器可以提高人眼的视觉范围，使人们看到肉眼无法看到的微观世界和宏观世界，看到人们暂时无法到达处发生的事情，看到超出肉眼视觉范围的各种物理、化学变化过程，生命、生理、病变的发生发展过程，等等。可见影像传感器在人们的文化、体育、生产、生活和科学研究中起到非常重要的作用。可以说，现代人类活动已经无法离开影像传感器了。

影像传感器可依据其采用的原理而区分为电荷耦合装置（Charge-CoupledDevice）影像传感器（亦即俗称CCD影像传感器）以及CMOS（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor）影像传感器，其中CMOS影像传感器即基于互补型金属氧化物半导体（CMOS）技术而制造。由于CMOS影像传感器是采用传统的CMOS电路工艺制作，因此可将影像传感器以及其所需要的外围电路加以整合，从而使得CMOS影像传感器具有更广的应用前景。

按照接收光线的位置的不同，CMOS影像传感器可以分为前照式CMOS影像传感器及背照式CMOS影像传感器，其中，背照式CMOS影像传感器与前照式CMOS影像传感器相比，最大的优化之处就是将元件内部的结构改变了，即将感光层的元件入射光路调转方向，让光线能从背面直射进去，避免了在前照式CMOS影像传感器结构中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的结构和厚度的影响，提高了光线接收的效能。

在传统的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，将逻辑区域（logic area）和像素区域（pixel area）集成在同一片晶圆上，形成器件晶圆（device wafer）；将所述器件晶圆与一载片（carrier wafer）键合，对所述器件晶圆执行背面处理，形成背照式CMOS影像传感器。在该传统的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，由于逻辑区域和像素区域集成在同一片晶圆上，同时逻辑区域和像素区域诸多的工艺要求不一样（如STI的深度不同，所需要的STI工艺不同等等），因此会造成工艺复杂且不易控制的问题。

为此，现有技术又提出了一种背照式CMOS影像传感器的制造方法，在该方法中，将逻辑区域集成在一晶圆上，形成逻辑晶圆；将像素区域集成在另一晶圆上，形成像素晶圆；将逻辑晶圆与像素晶圆键合，并将所述逻辑晶圆及像素晶圆互连，形成背照式CMOS影像传感器。利用该后一种背照式CMOS影像传感器的制造方法形成背照式CMOS影像传感器，能够得到芯片小、成本低、传感器质量高等诸多优势。但是，在该后一种背照式CMOS影像传感器的制造方法中，将需要深宽比非常大的接触孔互连所述逻辑晶圆及像素晶圆，其中，后一种背照式CMOS影像传感器的制造方法所需的接触孔的深宽比（通常在几十比一的数量级）较前一种背照式CMOS影像传感器的制造方法所需的接触孔的深宽比（通常在几比一的数量级）大得多。

请参考图1，其为现有技术中第一种背照式CMOS影像传感器的制造方法所形成的背照式CMOS影像传感器的示意结构与第二种背照式CMOS影像传感器的制造方法所形成的背照式CMOS影像传感器的示意结构的对比图。如图1所示，其中，图1左侧部分的结构A为第一种背照式CMOS影像传感器的制造方法所形成的背照式CMOS影像传感器的示意结构；图1右侧部分的结构B为第二种背照式CMOS影像传感器的制造方法所形成的背照式CMOS影像传感器的示意结构。对于第二种背照式CMOS影像传感器的制造方法，所需的接触孔需要互连逻辑区域及像素区域，也即需要互连逻辑晶圆及像素晶圆，从图1可知，所需的接触孔的深宽比将非常大，比现有的接触孔的深宽比（第一种背照式CMOS影像传感器的制造方法所需的接触孔）将大得多。

现有技术中形成所述接触孔的方法包括：形成沟槽，所述沟槽贯通逻辑晶圆及像素晶圆；利用电镀工艺填充所述沟槽，形成接触孔。具体的，请参考图2，其为现有技术中利用电镀工艺形成接触孔的过程示意图。如图2所示，由于电镀工艺具有角度越大，电镀层生长速度越快的特性，因此现有技术在利用电镀工艺填充沟槽的过程中，沟槽开口处电镀层的生长速度快于沟槽的内部，从而在最终形成的接触孔中将具有空洞1，进而导致接触孔的可靠性下降。进一步的，请参考图3，其为现有技术中利用电镀工艺所形成的接触孔的透射电子显微镜（TEM）图。如图3所示，利用现有方法形成的接触孔具有空洞1，而所述空洞将降低背照式CMOS影像传感器的可靠性（reliability）。因此，在背照式CMOS影像传感器的制造过程中，如何避免接触孔内的空洞产生，成了本领域亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种背照式CMOS影像传感器的制造方法，以解决现有的背照式CMOS影像传感器的制造过程中，所形成的接触孔中具有空洞的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种背照式CMOS影像传感器的制造方法，所述背照式CMOS影像传感器的制造方法包括：

提供晶圆键合结构，所述晶圆键合结构包括键合在一起的逻辑晶圆及像素晶圆，所述晶圆键合结构中形成有沟槽；

利用电镀工艺填充所述沟槽，其中，所述电镀材料包括铜及添加剂，所述添加剂包括加速剂及抑制剂，所述加速剂及抑制剂的比例为4~6:3~9；所述利用电镀工艺填充所述沟槽包括如下步骤：

执行第一类电镀工艺，所述第一类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的1%~10%；

执行第二类电镀工艺，所述第二类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的50%~95%；

执行第三类电镀工艺，所述第三类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的2%~45%。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，所述加速剂包括含硫有机物或者含硫官能团的有机物。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，所述抑制剂包括聚乙二醇、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，所述添加剂还包括平坦剂，所述平坦剂包括含氮的高分子聚合物。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，所述第一类电镀工艺的工艺条件包括：

转速：80转/分~100转/分；电流：4安培~5安培；工艺时间：5秒~6秒。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，执行第一类电镀工艺所形成的电镀层厚度为100埃~150埃。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，执行第二类电镀工艺包括：

执行第二类第一步电镀工艺，所述第二类第一步电镀工艺的工艺条件包括：

转速：80转/分~100转/分；电流：6安培~8安培；工艺时间：80秒~100秒；

执行第二类第二步电镀工艺，所述第二类第二步电镀工艺的工艺条件包括：

转速：80转/分~100转/分；电流：12安培~15安培；工艺时间：100秒~150秒；

执行第二类第三步电镀工艺，所述第二类第三步电镀工艺的工艺条件包括：

转速：80转/分~100转/分；电流：25安培~30安培；工艺时间：20秒~50秒。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，执行第二类第一步电镀工艺所形成的电镀层厚度为3000埃~3500埃；执行第二类第二步电镀工艺所形成的电镀层厚度为8500埃~9000埃；执行第二类第三步电镀工艺所形成的电镀层厚度为4000埃~4500埃。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，所述第三类电镀工艺的工艺条件包括：

转速：10转/分~15转/分；电流：35安培~45安培；工艺时间：10秒~15秒。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，执行第三类电镀工艺所形成的电镀层厚度为3000埃~4000埃。

在本发明提供的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，通过所述电镀材料包括比例为4~6:3~9的加速剂及抑制剂，控制电镀层在沟槽各个位置的生长速度，防止沟槽过早封口；进一步的，通过电镀工艺分成三类执行，其中，第一类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的1%~10%；第二类电镀工艺所形成的电镀层厚度为50%~95%；第三类电镀工艺所形成的电镀层厚度为2%~45%，从而使得电镀层依据在所述沟槽中的深度不同，渐次形成，保证了所形成的电镀层的质量，防止了所形成的接触孔中具有空洞。

附图说明

图1是现有技术中第一种背照式CMOS影像传感器的制造方法所形成的背照式CMOS影像传感器的示意结构与第二种背照式CMOS影像传感器的制造方法所形成的背照式CMOS影像传感器的示意结构的对比图；

图2是现有技术中利用电镀工艺形成接触孔的过程示意图；

图3是现有技术中利用电镀工艺所形成的接触孔的透射电子显微镜（TEM）图；

图4是本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法的流程示意图；

图5a~5d是本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法所形成的器件剖面示意图；

图6是本发明实施例的添加剂的扩散示意图；

图7是本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法所得到的接触孔的透射电子显微镜图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的背照式CMOS影像传感器的制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图4，其为本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法的流程示意图。如图4所示，所述背照式CMOS影像传感器的制造方法包括：

S40：提供晶圆键合结构，所述晶圆键合结构包括键合在一起的逻辑晶圆及像素晶圆，所述晶圆键合结构中形成有沟槽；

S41：执行第一类电镀工艺，所述第一类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的1%~10%；

S42：执行第二类电镀工艺，所述第二类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的50%~95%；

S43：执行第三类电镀工艺，所述第三类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的2%~45%。

具体的，请参考图5a~5d，其为本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法所形成的器件剖面示意图。

如图5a所示，提供晶圆键合结构50，所述晶圆键合结构50包括键合在一起的逻辑晶圆51及像素晶圆52，所述晶圆键合结构50中形成有沟槽53。其中，所述逻辑晶圆51上集成有逻辑区域，所述像素晶圆52上集成有像素区域。所述逻辑晶圆51（包含逻辑区域）、像素晶圆52（包含像素区域）及该两者之间的键合为现有技术，本申请对此不再赘述。所述沟槽53贯通所述逻辑晶圆51及像素晶圆52。具体的，可通过对所述晶圆键合结构50执行刻蚀工艺，例如干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺等，从而在所述晶圆键合结构50中形成沟槽53。

接着，利用电镀工艺填充所述沟槽，其中，所述电镀材料包括铜及添加剂，所述添加剂包括加速剂及抑制剂，所述加速剂及抑制剂的比例为4~6:3~9。在本实施例中，所述添加剂还包括平坦剂，所述加速剂、抑制剂及平坦剂的比例为4~6:3~9：3~5。具体的，所述加速剂能够加速电镀层的形成、所述抑制剂能够抑制电镀层的形成、而所述平坦剂能够使得所形成的电镀层更为平坦化。

其中，所述加速剂包括含硫有机物或者含硫官能团的有机物，例如聚二硫二丙烷磺酸钠（SPS），所述加速剂的分子量小，一般吸附在沟槽53的底部；

所述抑制剂包括聚乙二醇、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物，所述抑制剂一般为长链聚合物，扩散系数低，易聚集在沟槽53的开口处，从而抑制电镀层在沟槽53开口处的形成，防止空洞；

所述平坦剂包括含氮的高分子聚合物，所述平坦剂粘度大、在平坦表面质量传输更有效，即易于聚集在平坦表面。

具体的，请参考图6，其为本发明实施例的添加剂的扩散示意图。如图6所示，加速剂（图6中的标记为A）基本吸附在沟槽53的底部、抑制剂（图6中的标记为S）基本聚集在沟槽53的开口处、平坦剂（图6中的标记为L）基本聚集在晶圆键合结构50的表面。

在本实施例中，所述加速剂、抑制剂及平坦剂的比例为5:6:4，具体的，选取浓度为5mol/L的加速剂、浓度为6mol/L的抑制剂及浓度为4mol/L的平坦剂。发明人经过理论计算及实验验证，发现通过上述对于加速剂、抑制剂及平坦剂的比例、浓度的选取，能够非常好地平衡加速沟槽底部电镀层的形成及抑制沟槽开口处电镀层的形成。

在选取了合适的电镀材料之后，在本实施例中，又通过三类电镀工艺实现对于所述沟槽53的填充，从而使得电镀层依据在所述沟槽53中的深度不同，渐次形成，保证了所形成的电镀层的质量，防止了所形成的接触孔中具有空洞。具体的，

执行第一类电镀工艺，所述第一类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的1%~10%。优选的，所述第一类电镀工艺所形成的电镀层60的厚度为100埃~150埃，例如：100埃、110埃、120埃、130埃、140埃或者150埃；所述第一类电镀工艺的工艺条件包括：转速：80转/分~100转/分；电流：4安培~5安培；工艺时间：5秒~6秒。如图5b所示，在本实施例中，所述第一类电镀工艺所形成的电镀层60的厚度为135埃；所述第一类电镀工艺的工艺条件包括：转速：90转/分；电流：4.5安培；工艺时间：5.5秒。在此，利用第一类电镀工艺所形成的电镀层的生长速率为25埃/秒。在本实施例中，所述第一类电镀工艺所形成的电镀层厚度较薄且成膜速度较慢，其主要目的在于为后续电镀层提供一优质的界面，因此更多地保证了所形成的膜层的质量及平整度。

接着，执行第二类电镀工艺，所述第二类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的50%~95%，具体的，如图5c所示，利用第二类电镀工艺形成电镀层61。在本实施例中，所述第二类电镀工艺所形成的电镀层厚度最厚，为了保证如此厚的电镀层具有较高的成膜质量。在本实施例中，所述第二类电镀工艺又分成三个电镀步骤予以实现，具体包括：

优选的，执行第二类第一步电镀工艺，所述第二类第一步电镀工艺所形成的电镀层厚度为3000埃~3500埃，例如：3000埃、3100埃、3200埃、3300埃、3400埃或者3500埃；所述第二类第一步电镀工艺的工艺条件包括：转速：80转/分~100转/分；电流：6安培~8安培；工艺时间：80秒~100秒。在本实施例中，所述第二类第一步电镀工艺所形成的电镀层厚度为3270埃。所述第二类第一步电镀工艺的工艺条件包括：转速：90转/分；电流：6.75安培；工艺时间：90秒。在此，利用第二类第一步电镀工艺所形成的电镀层的生长速率为36埃/秒。在此，考虑到利用第二类第一步电镀工艺所形成的电镀层仍处于沟槽53较深位置，因此，所形成的电镀层的厚度相对较薄。

接着，执行第二类第二步电镀工艺，所述第二类第二步电镀工艺所形成的电镀层厚度为8500埃~9000埃，例如：8500埃、8600埃、8700埃、8800埃、8900埃或者9000埃；所述第二类第二步电镀工艺的工艺条件包括：转速：80转/分~100转/分；电流：12安培~15安培；工艺时间：100秒~150秒。在本实施例中，所述第二类第二步电镀工艺所形成的电镀层厚度为8720埃。所述第二类第二步电镀工艺的工艺条件包括：转速：90转/分；电流：13.5安培；工艺时间：120秒。在此，利用第二类第二步电镀工艺所形成的电镀层的生长速率为72埃/秒。在此，考虑到利用第二类第二步电镀工艺所形成的电镀层处于沟槽53较浅位置，因此，所形成的电镀层的厚度相对较厚。

接着，执行第二类第三步电镀工艺，所述第二类第三步电镀工艺所形成的电镀层厚度为4000埃~4500埃，例如4000埃、4100埃、4200埃、4300埃、4400埃或者4500埃；所述第二类第三步电镀工艺的工艺条件包括：转速：80转/分~100转/分；电流：25安培~30安培；工艺时间：20秒~50秒。在本实施例中，所述第二类第三步电镀工艺所形成的电镀层厚度为4360埃。所述第二类第三步电镀工艺的工艺条件包括：转速：90转/分；电流：27安培；工艺时间：30秒。在此，利用第二类第三步电镀工艺所形成的电镀层的生长速率为145埃/秒。在此，考虑到利用第二类第三步电镀工艺所形成的电镀层处于沟槽53较浅位置，因此，所形成的电镀层的厚度相对较厚。

在本实施例中，所述第二类电镀工艺所形成的电镀层厚度最厚，其起了填充沟槽53的主要作用。因此，本步骤对于沟槽53的填充质量非常关键，而本实施例也通过了三个电镀步骤细化了对于沟槽53的填充，从而使得所形成的电镀层质量更加可靠，即保证了后续形成的接触孔的质量。

接着，执行第三类电镀工艺，所述第三类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的2%~45%。优选的，所述第三类电镀工艺所形成的电镀层厚度为3000埃~4000埃，例如3000埃、3100埃、3200埃、3300埃、3400埃、3500埃、3600埃、3700埃、3800埃、3900埃或者4000埃；所述第三类电镀工艺的工艺条件包括：转速：10转/分~15转/分；电流：35安培~45安培；工艺时间：10秒~15秒。如图5d所示，在本实施例中，所述第三类电镀工艺所形成的电镀层62的厚度为3515埃；所述第三类电镀工艺的工艺条件包括：转速：12转/分；电流：40.5安培；工艺时间：12秒。在此，利用第三类电镀工艺所形成的电镀层的生长速率为293埃/秒。在此，考虑到利用第三类电镀工艺所形成的电镀层处于沟槽53最浅位置，其对于所形成的接触孔质量的影响较小，因此更多的考虑了工艺速度，从而节省工艺成本。

综上所述，在本实施例提供的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，通过所述电镀材料包括比例为4~6:3~9的加速剂及抑制剂，控制电镀层在沟槽各个位置的生长速度，防止沟槽过早封口；进一步的，通过电镀工艺分成三类执行，其中，第一类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的1%~10%；第二类电镀工艺所形成的电镀层厚度为50%~95%；第三类电镀工艺所形成的电镀层厚度为2%~45%，从而使得电镀层依据在所述沟槽中的深度不同，渐次形成，保证了所形成的电镀层的质量，防止了所形成的接触孔中具有空洞。

进一步的，请参考图7，其为本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法所得到的接触孔的透射电子显微镜图。如图7所示，利用本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法所得到的接触孔可靠性高，特别的，避免了接触孔中形成空洞。对此，可进一步参考图3，其为现有技术中利用电镀工艺所形成的接触孔的透射电子显微镜图。对比图7及图3，可进一步显示利用本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法所得到的接触孔可靠性高的优点。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，包括：

利用电镀工艺填充所述沟槽，其中，所述电镀材料包括铜及添加剂，所述添加剂包括加速剂及抑制剂，所述加速剂及抑制剂的比例为4～6:3～9；所述利用电镀工艺填充所述沟槽包括如下步骤：

执行第一类电镀工艺，所述第一类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的1％～10％；

执行第二类电镀工艺，所述第二类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的50％～95％；

执行第三类电镀工艺，所述第三类电镀工艺所形成的电镀层厚度为所述沟槽深度的2％～45％；

其中，执行第二类电镀工艺包括：

转速：80转/分～100转/分；电流：6安培～8安培；工艺时间：80秒～100秒；

转速：80转/分～100转/分；电流：12安培～15安培；工艺时间：100秒～150秒；

转速：80转/分～100转/分；电流：25安培～30安培；工艺时间：20秒～50秒。

2.如权利要求1所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述加速剂包括含硫有机物或者含硫官能团的有机物。

3.如权利要求1所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述抑制剂包括聚乙二醇、聚丙烯二醇和聚乙二醇的共聚物。

4.如权利要求1所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述添加剂还包括平坦剂，所述平坦剂包括含氮的高分子聚合物。

5.如权利要求1至4中的任一项所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述第一类电镀工艺的工艺条件包括：

转速：80转/分～100转/分；电流：4安培～5安培；工艺时间：5秒～6秒。

6.如权利要求5所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，执行第一类电镀工艺所形成的电镀层厚度为100埃～150埃。

7.如权利要求1所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，执行第二类第一步电镀工艺所形成的电镀层厚度为3000埃～3500埃；执行第二类第二步电镀工艺所形成的电镀层厚度为8500埃～9000埃；执行第二类第三步电镀工艺所形成的电镀层厚度为4000埃～4500埃。

8.如权利要求1至4中的任一项所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述第三类电镀工艺的工艺条件包括：

转速：10转/分～15转/分；电流：35安培～45安培；工艺时间：10秒～15秒。

9.如权利要求8所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，执行第三类电镀工艺所形成的电镀层厚度为3000埃～4000埃。